Fachausschuss Untertage­speicher­technik

SUBI – Sicherheit von Untergrundspeichern bei zyklischer Belastung: Funktionalität und Integrität von Speichern und Bohrungen

Die Energiewende und die mit der Bereitstellung erneuerbarer Energien einhergehenden Fluktuationen des Energieangebots erfordern eine Auslegung der Untertage-Gasspeicher (UGS) für eine höhere Frequenz und z.T. auch Amplitude von Speicheroperationen. Der Einfluss dieser zyklischen Belastungen auf die geologischen und technischen Komponenten und damit auf die Funktionalität und Sicherheit von UGS stand deshalb im Fokus des Vorhabens. Zur langfristigen Sicherung der Schutzgüter wurden die zugrundeliegenden Prozesse und Mechanismen skalenübergreifend sowohl qualitativ als auch quantitativ untersucht. Im Mittelpunkt stand eine holistische Betrachtung betriebsbedingter Eigenschaftsänderungen von Speicher und Deckgebirge sowie deren Anbindung an technische Einrichtungen (z.B. Zementation von Bohrungen) sowohl von Poren- als auch von Kavernenspeichern. Eng verzahnte experimentelle und numerische Untersuchungen bilden die Basis für Modellvorhersagen, die mit Feldbeobachtungen validiert wurden.

Ziel des Vorhabens war es, die komplexen geomechanischen Vorgänge, welche einen Einfluss auf die Zuverlässigkeit von Untertagespeichern haben, skalenübergreifend und interdisziplinär zu untersuchen. Dabei stand der Einfluss zyklischer Beanspruchungen von technischer Installation und Gasspeicher im regionalen Spannungsfeld im Fokus.

Folgende Hypothese wurde getestet: Eine erhöhte Frequenz und Amplitude im Speicherbetrieb (z.B. als Folge der Energiewende) hat einen Einfluss auf die Integrität von Untertage-Gasspeichern.

Zusammenfassende Ergebnisse: Durch den skalenübergreifenden interdisziplinären Ansatz wurden Lösungen für einen sichereren und nachhaltigeren Betrieb der Speicher auch bei höherzyklischer Belastung erarbeitet und getestet. Als wesentliches Ergebnis kann festgehalten werden, dass sowohl Poren- als auch Kavernenspeicher für einen höherfrequenten Betrieb qualifiziert und ertüchtigt werden können. Einzuhaltende Randbedingungen und Nachweiskonzepte wurden erarbeitet, um die Sicherheit der Speicher weiter zu steigern und die Speicherfunktionalität zu erhalten.

Dabei kann sowohl Salz als auch Tonstein als sicheres Deckgebirge bei höher-frequenten Belastungen genutzt werden, wenn die frequenzabhängigen geomechanischen Eigenschaften und gebirgs-mechanischen Randbedingungen hinreichend berücksichtigt werden. Dazu sind geeignete, komplexe Stoffgesetze zu nutzen, das anisotrope Spannungsfeld zu beachten und entsprechend hochaufgelöste numerische Modelle einzusetzen. Entsprechende Modelle und „Workflows“ sind im Bericht dargestellt.

Satellitengestützte Verfahren können zur Überwachung von Poren- und Kavernenspeichern genutzt werden. Über geeignete Modelle können aus der beobachteten Deformation die Füllstände abgeleitet werden.

Als kritischstes Element der Speicher werden bei hochzyklischen Belastungen die Bohrungen identifiziert, solange die gebirgsmechanischen Randbedingungen z.B. für das Deckgebirge eingehalten werden. In Experimenten und Modellen wurde gezeigt, wie sich chemische Alterationen und zyklische Belastungen auf die Dichtigkeit auswirken. Es wird vorgeschlagen, die Dichtigkeit zementierter Casings zu erhöhen, indem die Oberflächen der Casings mittels Sandstrahlen aufgeraut und von Korrossions- und Zunderschichten befreit werden. Darüber hinaus sind geeignete Zementmischungen zu verwenden und die Dichtigkeit ist zu überwachen. Dabei muss das zunehmende Alter unserer Speicherinfrastruktur berücksichtigt werden. Biologische Prozesse in den Speichern müssen im hochzyklischen Betrieb beachtet werden, um eine Beeinträchtigung der Bohrungsintegrität durch
mikrobiell induzierte Korrosion zu vermeiden.

Die Ergebnisse wurden in einem Stakeholder Workshop interessierten Spezialistinnen und Spezialisten von Betreibern, Behörden und Wissenschaftseinrichtungen als Onlineveranstaltung vorgestellt und intensiv diskutiert.